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隨著現代科學技術的發展和計算機技術的普及，高速數據采集系統已應用于越來越多的場合，如通信、雷達、生物醫學、機器人、語音和圖像處理等領域。本文介紹的數據采集處理系統采用CPLD控制ADS8364完成數據的A/D轉換，轉換后的數據預先存儲到FIFO中，再經DSP進行前端的數字信號處理后，通過USB總線傳給上位機，并在上位機上進行存儲、顯示和分析等。該系統完全可以滿足信號采集處理對高精度及實時性的要求。 1 系統原理 數據采集處理系統主要由前端信號調理電路、ADC芯片ADS8364、CPLD芯片EPM3128A、DSP芯片TMS320F2812、USB芯片CY7C68013及其外圍電路組成。系統原理框圖如圖l所示。 系統主要完成的任務為：DSP接收上位機通過USB總線發送的命令，完成系統工作參數的設置，并通過模擬地址／數據總線與CPLD進行通信，向CPLD發送控制命令；對外部的多路模擬量輸入進行信號調理，在CPLD控制下進行單通道或多通道A/D轉換，將采集到的數據存儲在一片FIFO芯片中；當FIFO中存儲的數據半滿時，對DSP產生一個中斷信號，DSP收到此中斷信號后，取出FIFO中的部分數據，進行前端數字信號處理，將處理完畢的數據通過USB總線傳給上位機；上位機實現各種圖形界面操作和后端信號處理，對所采集的信號進行分析。系統可對輸入的多路模擬信號進行同步采樣，這就使得采集到的數據不僅含有模擬信號的幅度特性，同時還保持不同模擬信號之間的相位差異；采樣頻率可以預置，以適應不同速率的采樣要求。 2 系統硬件 系統硬件包括信號調理模塊、A／D轉換模塊、DSP處理器模塊、CPLD邏輯控制模塊以及USB通信模塊。 2．1 信號調理模塊的設計 外部的多路模擬量輸入信號往往是微弱的傳感器信號，信號的幅值較小，為了方便且不失一般性，假定其幅值范圍為O~25mV。ADS8364待轉換的模擬輸入電壓范圍應保持在AGND-0．3V和AVDD+O．3V之間。這里選用低功率變增益儀表放大器INAl29對模擬量輸入信號進行調理放大，將其放大為0~5V之間。 INAl29是BURR-BROWM公司的一種小功率通用儀表放大器，具有優異的精度和很寬的帶寬，在增益高達100時，帶寬達200kHz。它可用單一外部電阻器調節其增益，調節范圍為l~10000，其放大倍數計算公式為： 從而使放大輸出電壓在O～5V之間。信號調理模塊原理圖如圖2所示。 2．2 A／D轉換模塊的設計 該模塊采用了TI公司的高速、低功耗、六通道同步采樣模/教轉換器ADS8364，它采用+5V工作電壓，其6個模擬輸入通道分為三組(A，B和C)，每組都有一個ADCs保持信號(HOLDA，HOLDB和HOLDC)，用來啟動各組的AID轉換，6個通道可以進行同步并行采樣和轉換。ADS8364采用具有80dB共模抑制能力的全差分輸入通道，將其REFin和REFout引腳接到一起，為差分電路提供2．5V的參考電壓。這里模擬量采用單端輸入，將-IN端接共模電壓2．5V，+IN端接前端信號調理模塊的輸出。 ADS8364的時鐘信號由外部提供，最高頻率為5MHz，對應的采樣頻率是250kHz。這里由CPLD提供時鐘信號，主要是考慮到CPLD可以靈活地改變時鐘頻率，進而改變系統的采樣頻率。A／D轉換完成后產生轉換結束信號EOC。將ADS8364的。BYTE引腳接低電平，使轉換結果以16位的方式輸出。地址/模式信號(A0，Al，A2)決定ADS8364的數據讀取方式，可以選擇的方式包括單通道、周期或FIFO模式。將ADD引腳置為高電平，使得讀出的數據中包含轉換通道信息。考慮到數據采集處理系統的采樣頻率一般較高，如果用DSP直接控制ADS8364的訪問，將占用DSP較多的資源，同時對DSP的實時性要求也較高。因此在本系統設計中，用CPLD實現ADS8364的接口控制電路，并將轉換結果存儲在FIFO芯片中，用DSP實現FIFO芯片的輸出接口。 DSP、CPLD、ADS8364及FIFO之間的接口設計如圖3所示。 2.3 DSP處理器模塊的設計 DSP主要負責與USB通信模塊交換數據、以模擬地址/數據總線的方式與CPLD通信，實現對數據采集的控制，完成與FIFO芯片的輸出接口以及對采樣后的數據進行前端數字信號處理(FIR低通濾波)。這里選用TI公司的32位定點DSP TMS320F2812 (以下簡稱F2812)，它采用1．8V的內核電壓，具有3．3V的外圍接口電壓，最高頻率150MHz，片內有18K字的RAM，128K字的高速Flash。 2.4 CPLD邏輯控制模塊的設計 在該數據采集處理系統中，CPLD是一個重要的組成部分。由CPLD組成的邏輯控制模塊接收DSP傳送過來的動作命令，控制A／D轉換模塊進行數據采集，并提供對FIFO的接口時序，實現轉換數據的存儲。這里選用Altem公司的EPM3128A芯片，它共有128個宏單元，2500個可用門。 CPLD作為一個單獨的控制執行結構．通過編寫相應的Verilog HDL代碼，即可生成相應的操作電路，實現對各種輸入信號的鎖存、判斷和處理以及對各種命令信號的執行和輸出信號的控制。 2．5 USB通信模塊的設計 這里選用CYPRESS公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013作為USB通信控制器芯片，它內含增強型8051微控制器，支持USB2．0傳輸協議，同時也向下兼容USBl．1規范。該芯片把USB2．0收發器、SIE(串行接口引擎)、增強型8051微控制器、I2C總線接口以及GPIF(通用可編程接口)集成于一體。CY7C68013提供了SlaveFIFO和GPIF兩種接口模式，Slave FIFO模式是從機模式，外部控制器可以像對普通FIFO存儲器一樣對FX2的多層緩沖FIFO存儲器進行讀寫；GPIF模式是主機模式，可以由軟件設置讀寫的控制波形，靈活性很大。這里采用的是Slave FIFO模式。 3 系統軟件設計 系統軟件設計包括DSP程序設計、USB固件程序設計、USB驅動程序設計和上位機應用程序設計。 3．1 DSP程序設計 DSP編程的主要任務是初始化、管理板上的資源和實現前端數字信號處理的算法。這里以TI公司提供的功能強大的CCS(Code Composer Studio)為集成開發環境。系統上電復位后。首先完成F2812自身的初始化，包括配置RAM塊，設置I／O模式、定時器模式、中斷等；然后程序進人循環狀態，等待USB及FIFO的中斷。F2812主程序流程圖如圖4所示。 在F2812的程序存儲器中存儲常用的數字信號處理算法，F2812在收到上位機通過USB總線發送的控制信息后，在中斷函數中選擇某種處理算法，同時向CPLD發出動作命令，控制A／D轉換模塊完成信號的采集并將采集到的數據存入FIFO中。當FIFO中數據達到半滿時，向F2812提出中斷申請，F2812響應此中斷，在中斷函數中實現對部分采樣數據的讀取，在主循環程序中根據上位機選定的處理算法完成數據的前端處理，然后將數據打包，通過USB總線傳輸給上位機。對于常用的數字信號處理算法在DSP上的實現，這里不再贅述。 3．2 USB固件程序設計 固件負責輔助硬件讓設備雙向交換數據，其主要功能是：接收并處理USB驅動程序的請求及應用程序的控制指令。CYPRESS公司針對EZ-USB FX2系列芯片給出了一個Firmware庫和Firmware框架(Frame Works)，均采用Kei C5l開發。Firmware庫提供了一些常量、數據結構、宏定義、函數來簡化用戶對芯片的使用。用戶只需要在源程序中包含進fx2．h、fx2regs．h和fx2sdly．h，并且把Ezusb．1ib和UsBJmpTB．obj添加進項目即可。Firmware框架實現了初始化芯片、處理USB標準設備請求以及掛起狀態下的電源管理等功能。該框架無需添加任何代碼，將編譯后產生的*．hex文件載入芯片就能與主機進行基本的USB通信，只是不能完成特定的任務。在本系統中，需要選擇適當的傳輸方式，添加需要使用的端點(Endpoint)，在框架預留的地方(如TD_Init()、TD_Poll()等函數中)添加初始化代碼和完成特定功能的代碼。 USB共有四種數據傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸及同步傳輸，本系統中使用了控制傳輸和塊傳輸。控制傳輸主要用來完成主機對設備的各種控制操作，即用來實現位于主機上的USB總線驅動程序以及編寫的功能驅動程序對設備的各種控制操作；塊傳輸主要用來完成主機和設備間的大批量數據傳輸以及對傳輸的數據進行錯誤檢測(支持“錯誤重傳”功能)。 3．3 USB驅動程序設計 CYPRESS FX2開發包中提供了一個通用的設備驅動程序Ezusb．sys，可用于基于EZ-USB FX2系列的芯片，能夠完成基本的USB通信任務。本系統設計中，利用DDK對上述驅動程序進行了修改，將不常用的函數刪除，同時添加了自己定義的函數。 3.4 上位機應用程序設計 上位機應用程序主要實現與數據采集處理系統間的USB通信、向系統發送控制命令以及接收系統傳送過來的數據并進行存儲、處理與顯示。在Win32系統中，各個設備被抽象為文件，應用程序通過文件操作API函數實現與驅動程序中某個設備的通信。USB通信常用的API函數有；CreateFile()，WriteFile()，ReadFile()，DeviceloControl()，CloseFile()等。在應用程序中，只需將上述函數添加到相應的功能模塊中便可完成應用程序對USB設備的打開、讀、寫等操作，從而實現兩者的通信。采用LabVIEW語言實現USB通信及儀器界面，而對于后端的信號處理算法則在VC++環境下實現并生成動態鏈接庫文件(*．d11)，方便LabVIEW的調用。圖5為上位機上層應用程序的流程圖。 本文將TMS320F2812與ADS8364相結合，設計了一套數據采集處理系統。該系統采用uSB總線與上位機通信，充分發揮了USB2．O方便、快捷的優點；考慮到對實時性的要求，將某些特定的數字信號處理算法(如FIR濾波、快速FFT等)放到數據采集處理卡上由DSP快速完成。該系統采集精度高，速度快，并可同時采集多路信號。實踐證明，該數據采集處理系統可適用于高精度、實時性信號的數據采集和處理，具有廣泛的實用價值。 |
